基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法及其系统

本发明涉及地表三维重建，尤其涉及基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法及其系统。

背景技术：

1、近年来，随着无人机装备的普及，利用多视角航拍图像快速构建大范围地表三维模型已成为获取空间地理信息的核心手段。现有的常规三维重建流程主要依赖运动恢复结构（sfm）与多视图立体（mvs）技术，其基本原理是获取无人机从多个视角拍摄的地表图像，在不同视角的图像间寻找同名特征点，基于光度一致性与视差约束建立对应关系，进而通过光束法平差与深度图致密化恢复地表的三维形态，使地表形态由二维图像转为可量测的三维模型，从而为国土测绘与空间规划提供数据支撑。

2、现有的三维重建方法存在一个底层缺陷：其特征匹配与深度解算算法完全建立在“朗伯体（漫反射）假设”的物理前提下，无法处理水面或光滑地表因镜面反射导致的高光游走，从而引发模型空洞与高程塌陷；当无人机飞越存在河流、湖泊或高反光路面的区域时，太阳光在这些非朗伯体表面会产生镜面高光，且该高光光斑的像素位置会随着无人机空间视角的移动而发生规律性偏移；这种违背了“物理地物应相对静止”及“多视角光度一致”规律的光学现象，会导致现有的匹配算法崩溃，将其错误解析为漂移噪点，在水面等区域留下大量的破洞或畸变飞点；尽管现有常规技术会尝试利用语义分割提取水面掩膜，并依赖周边岸线进行粗暴的高程插值填补，但这仅仅是图像级别的后处理掩盖，不仅丢失了水面真实的几何高程面，在面临大面积水域时还会导致插值发散与模型拓扑崩溃，始终无法从光学物理底层获取该区域真实的空间结构。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术状况，提出了本申请。本申请的实施例提供了基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法及其系统，其能够从空间计算源头规避了点云高程塌陷与模型空洞的产生，保障了大范围高反光区域三维地表模型的结构完整性与可量测性。

2、根据本申请的一个方面，提供了基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法，包括：

3、获取包含高亮区域的航拍图像序列，并同步获取对应时刻的光心坐标数据、瞬时速度数据以及全局太阳入射向量；

4、提取所述航拍图像序列中所述高亮区域的高光质心，并追踪所述高光质心在连续帧间的轨迹生成像素速度数据，将镜面反射定律中法线平分入射光与视线的光学约束与所述全局太阳入射向量、所述光心坐标数据相结合构建视线的时间导数关系，将所述瞬时速度数据与所述像素速度数据代入所述时间导数关系形成高光运动映射，逆向解算出所述高亮区域的三维法向量数据；

5、计算连续序列下多个所述三维法向量数据的时间动态方差，剔除超出预设的水体波动阈值的畸变法向量数据，保留小于等于水体波动阈值的目标法向量数据；

6、将所述目标法向量数据与由所述高光质心、所述光心坐标数据构成的空间交叉射线相结合，拟合生成所述高亮区域的空间平面方程；

7、将所述空间平面方程作为全局刚性约束注入三维重建引擎，在基于所述航拍图像序列生成三维点云时，触发与所述高亮区域对应的图像掩膜阻断常规光度匹配迭代，并将落入所述图像掩膜内的离散点云数据沿法线方向正交投影至所述空间平面方程上，生成重构后的地表三维模型。

8、根据本申请的另一个方面，提供了基于无人机多视角航拍的地表三维重建系统，包括：

9、多源数据获取模块，用于获取包含高亮区域的航拍图像序列，并同步获取对应时刻的光心坐标数据、瞬时速度数据以及解算得到的全局太阳入射向量；

10、逆推解算模块，用于提取所述航拍图像序列中所述高亮区域的高光质心，并追踪所述高光质心在连续帧间的轨迹生成像素速度数据，将镜面反射定律中法线平分入射光与视线的光学约束与所述全局太阳入射向量、所述光心坐标数据相结合构建视线的时间导数关系，将所述瞬时速度数据与所述像素速度数据代入所述时间导数关系形成高光运动映射，逆向解算出所述高亮区域的三维法向量数据；

11、时域方差校验模块，用于计算连续序列下多个所述三维法向量数据的时间动态方差，剔除超出预设的水体波动阈值的畸变法向量数据，保留小于等于水体波动阈值的目标法向量数据；

12、空间基准拟合模块，用于将所述目标法向量数据与由所述高光质心、所述光心坐标数据构成的空间交叉射线相结合，拟合生成所述高亮区域的空间平面方程；

13、约束重构模块，用于将所述空间平面方程作为全局刚性约束注入三维重建引擎，在基于所述航拍图像序列生成三维点云时，触发与所述高亮区域对应的图像掩膜阻断常规光度匹配迭代，并将落入所述图像掩膜内的离散点云数据沿法线方向正交投影至所述空间平面方程上，生成重构后的地表三维模型。

14、根据本申请的另一个方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

15、根据本申请的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

16、与现有技术相比，采用根据本申请实施例的基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法及其系统，通过逆向解算出三维法向量数据，利用光学反射规律推导了几何状态，替代了常规的光度一致性匹配，能够在缺乏表面纹理特征的高光区域获取有效的物理空间方向信息，避免了因高光光斑游走造成的同名点匹配失效；通过计算三维法向量数据的时间动态方差，并利用预设的水体波动阈值进行比对校验，能够识别并剔除由非规则刚体位移（例如水面移动的船只或漂浮物）引起的干扰特征，排除了非自然波动带来的数据畸变，保证了最终保留的目标法向量数据能够客观反映目标区域真实的宏观几何朝向，提高了重建基础数据的可靠性；

17、在生成三维点云的环节，通过触发图像掩膜阻断常规匹配迭代，并将离散点云沿法线方向正交投影至该空间平面方程上，使得算法在底层坐标计算阶段即对畸变区域进行了几何校正，相较于依赖周边岸线特征进行插值的后处理手段，本申请能够从空间计算源头规避了点云高程塌陷与模型空洞的产生，保障了大范围高反光区域三维地表模型的结构完整性与可量测性。

1.基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法，其特征在于，在保留小于等于水体波动阈值的目标法向量数据之后，还包括：

3.根据权利要求2所述的基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法，其特征在于，所述分配对应的投影收敛容差以及空间平滑权重，包括：

4.根据权利要求1所述的基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法，其特征在于，所述三维法向量数据的逆向解算，包括：

5.根据权利要求4所述的基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法，其特征在于，所述更新当前轮次的所述三维法向量，包括：

6.根据权利要求1所述的基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法，其特征在于，所述将所述空间平面方程作为全局刚性约束注入三维重建引擎，包括：

7.根据权利要求6所述的基于无人机多视角航拍的地表三维重建方法，其特征在于：

8.基于无人机多视角航拍的地表三维重建系统，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于：所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1~7任一所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，其特征在于：所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1~7任一所述方法的步骤。